摘要：安全型激发管是新余国泰特种化工有限责任公司自主研發的一种装配在二氧化碳致裂器中为致裂器启动提供热能和压力能的激发装置，其作用是在二氧化碳致裂爆破中为冲装在致裂器中的液态二氧化碳提供相变所需的热能和压力能。安全型激发管是主要由点火装置和激发药组成。文章通过对激发药的探究和点火装置的探究充分展示安全型激发管的安全性能，为二氧化碳爆破技术在煤矿的瓦斯安全防治、煤层抽采及其它特殊条件下的工程爆破提供参考。
关键词：二氧化碳爆破技术 安全型 激发管 激发药 磁电引发器
Exploration of a Safe Excitation Tube
ZHAN Yongbo
（Jiangxi Xinyu Guotai Special Chemical Co.， Ltd.， Xinyu， Jiangxi Province， 338018 China）
Abstract： Safety excitation tube is a kind of excitation device which is independently developed by Xinyu Guotai Special Chemical Co.， Ltd. and is assembled in carbon dioxide cracker to provide heat and pressure energy for cracker startup. Its function is to provide the heat energy and pressure energy required for the phase transformation of liquid carbon dioxide punched in the cracker the carbon dioxide fracturing blasting. The safe excitation tube is mainly composed of ignition device and activator. This paper fully demonstrates the safety performance of the safe excitation tube through the exploration of the excitation drug and the ignition device， it provides a reference for the engineering blasting of carbon dioxide blasting technology in coal mine gas safety prevention， coal seam extraction and other special conditions.
Key Words： Carbon dioxide blasting technology; Safe; Excitation tube; Stimulants; Magnetoelectric initiator
引言
二氧化碳爆破技术在煤矿的瓦斯、煤层抽采及其它特殊条件下的工程爆破下具有独特的优越性能[1]，激发管作为二氧化碳爆破技术中的核心材料，激发管的安全稳定性直接影响到二氧化碳爆破技术的健康发展。本文通过对激发管中的点火装置和激发药的研究和设计，来提高激发管的本质安全性。
1 激发管的介绍
1.1 激发管的结构
激发管的基本结构[2]是一种通过内部装有激发药，激发药通过点火装置被点燃，然后燃烧反应产生高温高压气体的火工品装置。由点火装置、管壳、塑料塞、塑料头、铜挡片及激发药组成[3]（如下图1）。安全型激发管采用的激发药为一种在常压条件下难以被点燃和持续燃烧的安全型烟火药，使用的点火装置为抗干扰能力强、作用可靠的磁电引发器。
1.2 激发管的用途及工作原理
激发管是应用于二氧化碳爆破技术中的一种爆破器材，二氧化碳爆破是一种污染小的液态二氧化碳相变过程，涉及到热量的交换和能量的蓄积[4]，其相变膨胀破岩无需火工品，引起的危害较炸药爆破破岩小，在露天台阶破岩、基坑开挖、岩石破碎及隧道掘进等工程中得到较为广泛的应用[5]。激发管的作用是装配于二氧化碳致裂器中，为液态二氧化碳提供相变所需的热能和压力能，是致裂器启动做功的激发装置。其工作原理是二氧化碳致裂器中激发管内的激发药通过点火装置被点燃并迅速燃烧释放热和产生气体，使二氧化碳致裂器中的液态二氧化碳温度在极短的时间内升高并迅速气化，快速发生液-气相变[6]，当二氧化碳致裂器中的压强上升达到致裂器泄压头上的设定值时，破裂片被剪切，气体被瞬间释放并膨胀做功，气体挤压力作用于致裂器周边矿体（岩土），达到类似炸药爆破岩土的效果（爆破效果）。
2 激发管的安全性探究
激发管是二氧化碳致裂技术应用中的核心材料之一，它是形成膨胀集聚力（破裂力）的必备启动部件。二氧化碳致裂技术使用的二氧化碳本身不是易燃易爆物质，因此二氧化碳致裂技术本身是一种安全可靠的爆破技术，但是因激发管在结构设计和原材料使用中采取了一些非理性、非专业措施，容易在爆破之前产生一定的危险性。因此本文通过设计激发管中的激发药及点火装置来达到一种安全型激发管的爆破器材，使得二氧化碳致裂技术从原材料生产到爆破完成全过程达到本质性的安全。
2.1 激发管的激发药探究
激发药使用较广的药剂多为高敏感的烟火药、单质炸药或者在药剂中加入可以提高爆热的高热值金属粉[7]，此类装有高敏感的烟火药或者单质炸药的激发管在原材料的使用过程、激发管装配生产运输过程中以及在二氧化碳致裂爆破使用过程中容易因外部因素（如：震动、雷电、静电和杂散电流等）造成点火装置发生点火和药剂早爆而形成重大人身安全事故，影响到二氧化碳致裂技术的健康发展。本文研究的安全型激发管是采用一种安全型烟火药为激发药剂。通过装配安全型烟火药使得激发管不会因早爆而造成安全事故的发生。安全型烟火药的主要组分为高氯酸钾（KClO4）、草酸铵（C2H8N2O4）、水杨酸（C7H6O3）、防水剂（外加）等[8]，组分中以高氯酸钾为氧化剂，还原剂成分为草酸铵和水杨酸。组分中高氯酸钾、草酸铵、水杨酸的完全零氧平衡的化学反应如下：
9 KClO4+ 2 C2H8N2O4 + 2 C7H6O3 → 9 KCl + 2 N2 + 14 H2O +18 CO2
當烟火药中的成分处于完全零氧平衡状态时，根据化学反应方程式可知高氯酸钾、草酸铵和水杨酸的配比为176：39：35。而通过完全零氧平衡配比制备的烟火药在常压条件能够被点燃和持续燃烧，无法保证激发管在装备此类烟火药时达到本质安全性。因此需根据原材料的特性对使用高氯酸钾、草酸铵和水杨酸制备烟火药进行配比优化。
草酸铵，在常压条件下加热到95 ℃时发生脱水分解，而分解反应是一种吸热反应。因此通过草酸铵分解产生的吸热效应，使的草酸铵在安全型烟火药中不仅作为还原剂存在，同时具有使激发药钝感和增加热稳定性的作用。所以，当通过提高草酸铵的含量制备的烟火药可使其在常压条件下其点燃过程的发热量小于散热量，点燃过程难以持续，保证了烟火药在常压条件下无法被点燃燃烧，从而杜绝了二氧化碳致裂器用激发管在生产、运输和贮存情况下发生燃烧爆炸。但是，当安全烟火药处于高压环境下时，因草酸铵的分解温度随着压强的增加而升搞，因此，在一定压强条件下，可以使烟火药点燃过程发热量大于散热量，使得烟火药容易被点燃并稳定燃烧（爆燃）。所以，基于零氧平衡基本不变的情况下通过提高草酸铵的含量，使烟火药在二氧化碳致裂器工作压强（临界压强）能够被点燃并稳定燃烧（爆燃）。而基于此配比制备的安全型烟火药在常压条件下却无法被点燃。因此，激发管使用此类安全型烟火药为激发药时，能够保证激发管在生产、运输和使用过程中不会发生早爆，达到本质性的安全。
2.2 激发管的的点火装置探究
点火装置是一种通过外部能量（如电能、化学能等））给药剂提供燃烧反应所必需的初始能量的部件。安全型激发管使用的点火装置为公司自主研发的安全型磁电引发器，安全型磁电引发器是由引火元件、点火药、管壳、堵片等组成。
激发管在制造、运输和使用过中，常因点火装置受到雷电、静电和杂散电流的影响而造成点火装置发生点火而早爆[9]，因此为了减少雷电、静电和杂散电流对激发管的影响，减少环境对激发管的影响，提高激发管在生产、运输和使用过程的本质安全性能，安全型磁电引发器的引发元件采用一种抗干扰能力强的磁电雷管用点火头，磁电雷管用点火头具备以下性能优势：①具备固定的安全电流，在有效频率70 kHz±10 %条件下，对磁电雷管用点火头通以≤500 mA高频脉冲电流，持续时间不大于500 mA时，磁电雷管点火头不发生点火;②具备固定的启动电流，在有效频率70 kHz±10 %条件下，对磁电雷管点火头通以≥2.5 A高频脉冲电流，持续时间不大于500 mA，磁电雷管点火头发生点火;③具备一定的安全频率，在频率≤3 kHz或≥900 kHz范围内，对产品通以≥8.6±1.6 A高频脉冲电流，持续时间不大于500 mA，不发生点火;④具备市电安全性，对磁电雷管点火头通以380 V，50 Hz市电，不发生点火。
为了提高安全型磁电引发器的防潮性能，增强二氧化碳致裂器用激发管的贮存时间，磁电引发器采用类似雷管的结构：用G-8发蓝雷管壳改制，管壳前后通口，管壳一端插入磁电点火头，另一端用硝基软片封堵。因为二氧化碳致裂器用激发管使用的药剂为一种顿感的安全型烟火药，所以需提高点火装置点火能力;因此，在管壳中装入一种点火能力强，综合性能好的点火药，点火药是采用以钨、铬酸钡、高氯酸钾、硅藻土为原材料制备的一种高能点火药。
磁电引发器的结构设计如下：管壳（通孔）用G-8发蓝雷管壳改制，磁电点火头从管壳一端插入用紧口机紧口，装入点火药后底部用硝基软片封堵并涂密封胶固定成为一个整体。通过管壳与磁电点火头的紧口和管壳与和硝基软片涂密封胶密封达到点火药头和点火药的防潮性能，提高激发管的贮存时间;通过磁电点火头点燃点火药，使点火药燃烧释放能量并且带动管壳底部的硝基软片燃烧，提高磁电引发器的点火能力;磁电引发器的能量通过管壳底部释放点燃激发管中的烟火药。
3 安全型激发管的优点
安全型二氧化碳致裂器用激发管具备安全可控性：激发管中采用了提高草酸铵含量的烟火药，由于草酸铵为吸热性可燃剂，是降低燃速的催化剂，使得药剂感度低（撞击、摩擦、静电感度为0），药头难点不着，常压很难被点燃和持续燃烧，此类烟火药保证了激发管在正常生产、运输和使用过程中不会发生早爆。同时激发管中采用的点火装置为磁电引发器，磁电引发器的抗干扰能力强、作用可靠，并且需用专用的磁电控制器进行起爆控制，磁电引发器保证了激发管的安全可控性
安全型二氧化碳致裂器用激发管具备环保性：激发管使用的药剂中不含砷化合物、汞化合物、没食子酸、苦味酸、六氯代苯、镁粉、锆粉、磷铅化合物、金属粉末等有毒有害成分，组分燃充分燃烧后，产物无毒无害（包括氯化钾、氮气、二氧化碳和水蒸气），具备优越的环保性。
4 结论
通过对激发管中激发药的基本材料选择、激发药配比的优化和点火元件的选择以及点火装置的结构设计研究出一种安全型激发管。安全型激发管采用优化设计的具备常压无法被点燃和持续燃烧的烟火药为激发药，使用具有抗干扰能力强、作用可靠的磁电引发器为点火装置。通过此材料和结构生产的激发管产品安全性能高，社会安全性好，为二氧化碳爆破提供了稳定安全的爆破操作环境。
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詹勇波，1993年，男，大学本科，助理工程师，研究方向：化学工程
